Классификация и основные свойства электроизоляционной керамики

Электроизоляционная керамика представляет собой материал, получаемый из формовочной массы заданного химического состава из ми­нералов и оксидов металлов. Любая керами­ка, в том числе и электроизоляционная,— мате­риал многофазный, состоящий из кристалличе­ской, аморфной и газовой фаз. Ее свойства зависят от химического и фазового составов, макро- и микроструктуры и от технологических приемов изготовления. / 1 /

В электрической и радиоэлектронной про­мышленности керамическая технология широко применяется для изготовления диэлектричес­ких, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других из­делий. В настоящее время, особенно с прони­кновением в быт электронной техники, из электроизоляционной керамики изготавливаются десятки тысяч наименований изделий массой от десятых долей грамма до сотен килограм­мов и размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров. В ряде случаев изделия из керамики, главным образом из электрофарфора, покрываются гла­зурями, что уменьшает возможность загрязне­ния, улучшает электрические и механические свойства, а также внешний вид изделия. / 14 /

Электрофарфор является основным кера­мическим материалом, используемым в произ­водстве широкого ассортимента низковольт­ных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряже­нием до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. / 8 /

Преимущества электрокерамики перед дру­гими электроизоляционными материалами со­стоят в том, что из нее можно изготовлять изоляторы сложной конфигурации, кроме то­го она имеет широкий интервал спекания. Сы­рьевые материалы мало дефицитны, технология изготовления изделий относительно проста. / 15 / Электрофарфор обладает достаточно высокими электроизоляционными, механическими, тер­мическими свойствами в области рабочих тем­ператур; он выдерживает поверхностные раз­ряды, слабо подвержен старению, стоек к воздействию атмосферных осадков, многих хи­мических веществ, солнечных лучей и радиаци­онных излучений. / 8 /

В связи с передачей энергии высоким и сверхвысоким напряжением на дальнее рас­стояние резко возросли требования к качеству высоковольтных изоляторов, главным образом к механической прочности. / 12 /

В последние годы выпускаются надежные высокопрочные изоляторы оптимизированной конструкции из электрофарфора высокого ка­чества. Известно, что прочность фарфора при сжатии в 10—20 раз выше прочности при из­гибе или растяжении.

По назначению компоненты фарфора раз­личаются на пластичные и отощающие, а по роли при термической обработке — на плавни и кристаллорбразующие.

Механическая прочность фарфора в значительной степени зависит от механических свойств и кристаллической структуры отощающего материала, а также образованных в процессе обжига сетчатых волокнистых микроструктур кристаллической фазы (в частности, игл муллита). Стеклофаза в структуре фарфора ухудшает механическую прочность, так же как и наличие пор, неблагоприятно влияющих на распределение напряжений.

Наравне с обычным фарфором налажен выпуск фарфора с повышенным содержанием муллита, фарфор кристобалитовый и корундовый. В последнем кремнезем в шихте частично заменен корундом. / 13 /

Большинство корундовых кристаллов при обжиге остается в исходной форме и благодаря высокому сопротивлению упругой деформации образует прочный каркас микроструктуры. Незначительная часть растворяется в стек-лофазе и является причиной возникновения вторичного муллита. Как следует из табл. 1 (см. приложения), механическая прочность корундового фарфора значительно выше прочности обычного фарфора.

Наиболее перспективным является корундовый фарфор. / 16 /

Следует ожидать, что традиционные спо­собы производства, т. е. литье изоляторов в гипсовые формы, а для больших опорных изо­ляторов — склейка отдельных элементов до обжига, заменяется пластическим прессовани­ем, выдавливанием массивного цилиндра или трубки с дополнительной обработкой на копи­ровальных станках, а также изостатическим прессованием заготовок с последующей авто­матической обработкой. Использование послед­него способа производства изоляторов суще­ственно сократит технологический цикл и объ­ем трудозатрат. / 5 /

По ГОСТ 20419-83 (соответствует СТ СЭВ 3567-83) «Материалы керамические электро­технические» эти материалы по их составу клас­сифицируются следующим образом:

Стекло и керамика

Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа: оксидные - на основе оксидов (SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅, Al₂O₃); галогенидные - на основе галогенидов, главным образом BeF₂ (фторберилатные стекла) и халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.

Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:

1. по виду окисла стеклообразователя - силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и др.;
2. по содержанию щелочных окислов - бесщелочные (могут содержать щелочноземельные оксиды MgO, CaO, BaO и др.) малощелочные; многощелочные.

Физико-химические свойства стекла. Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие стекла с повышенным содержанием оксидов PbO, Na₂O₃, K₂O. Наибольшей стойкостью к воздействию влаги обладает кварцевое стекло. Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.

Электрические свойства стекла в сильной степени зависят от их состава. Большинство стекол характеризуются ионной проводимостью. Наиболее сильно понижает электропроводность стекол SiO₂ и B₂O₃. Наименьшую электропроводность имеет кварцевое стекло, а наибольшую высокощелочные. Обычно стекла более химически устойчивые имеют меньшую электропроводность. стекол при невысоких температурах колеблется в пределах от 10⁸ до 10¹⁵ Ом^.м.

Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости и потерь релаксационных и структурных. tg стекол увеличивается с ростом содержания щелочных оксидов при малом содержании оксидов тяжелых металлов. Стекла с большим содержанием оксидов PbO и BaO имеют низкий tg .

Самую низкую имеет кварцевое стекло (3.7 - 2.8) и стеклообразный борный ангидрид (3.1 - 3.2), у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, стекол увеличивается и становится высокой (порядка 20).

В переменном электрическом поле электрическая прочность стекол составляет 17 - 80 МВ/м.

Электротехническая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электротехнический фарфор, как и любая другая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз.

Его свойства определяются химическим и фазовым составом, микро и макроструктурой и технологией изготовления. Основными компонентами фарфора являются сырьевые вещества: каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава 1300 до 1400^оС. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре удовлетворительные для использования его при низких частотах: =6 - 7, tg около 0.02. tg электротехнического фарфора, однако быстро растет при увеличении температуры, что затрудняет применение его при высоких температурах и на высоких частотах.

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, изготовляемую на основе тальковых минералов.

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество керамических материалов, обладающих повышенными свойствами по сравнению с фарфором. Параметры некоторых из них приведены в таблице.

Конденсаторная керамика имеет повышенные ( =10 - 230) и высокие значения ( =900). В первом случае керамика относится к высокочастотным диэлектрикам, ее tg на частоте 1МГц не должен превышать 0.0006, во втором случае керамика низкочастотная - на частоте 1кГц tg = 0.002 - 0.025. К конденсаторной керамике обычно предъявляются требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Многие из этих материалов имеют в своем составе двуокись титана - рутил (TiO₂). Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция - CaTiO₃ и SrTiO₃.

Электротехнический фарфор применяется для изготовления вы­соковольтных и низковольтных изоляторов различного типа. К числу высоковольтных изоляторов относятся:

стационарные для оборудования распределительных устройств и аппаратуры (опорные, проходные, вводы, маслонаполненные, покрышки разного назначения);

линейные для линий электропередачи (подвесные и штыревые).

Для изготовления высокочастотных высоковольтных изолято­ров применяют стеатитовую керамику, так как фарфор имеет силь­ную зависимость электрических характеристик от температуры из-за наличия большого количества полевошпатового стекла с повы­шенной электропроводностью.

Стеатитовая керамика изготовляется на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния MgOSiO_r Стеатитовые материалы характе­ризуются высокими значениями р, в том числе при высокой темпе­ратуре, малым tg 5 за исключением материала, предназначенного для производства крупных высоковольтных изоляторов. Стеатйховая керамика характеризуется высокими механическими свой­ствами, стабильностью параметров при воздействии различных внешних факторов (влаги, температуры, высокого напряжения и др.). Благодаря высоким электромеханическим свойствам стеатит применяют для изготовления высокочастотных установочных дета­лей, высоковольтных и низковольтных конденсаторов, высоковольт­ных, антенных, внутриламповых, пористых и других изоляторов. Пластичный высокочастотный высоковольтный стеатитовый мате­риал СПК-2 применяется для изготовления крупногабаритных изо­ляторов, а непластичные СНЦ, СК-1, Б-17, С-55 и С-4 - электроизо­ляционных деталей и высокочастотных конденсаторов.

Для применения в радиотехнической и электронной промыш­ленности было разработано большое количество новых керами­ческих материалов, обладающих лучшими свойствами по сравне­нию с фарфором.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.

Ультрафарфор различных марок характеризуется большим со­держанием А1₂0₃ и является усовершенствованным радиофарфором. Ультрафарфор имеет по сравнению с обычным фарфором повы­шенную механическую прочность и теплопроводность.

Высокоглиноземистая керамика (алюминооксид) в основном со­стоит из оксида алюминия (глинозема) А1₂0₃. Этот материал требу­ет весьма высокой температуры обжига (до 1750°С), затрудняю­щей его изготовление. Он отличается хорошими характеристика­ми: нагревостойкостью до температуры 1600°С, высоким р и малым tgS при повышенных температурах, чрезвычайно высокой тепло­проводностью и механической прочностью.

Поликор, имеющий особо плотную структуру (близкую к теоре­тической для А1₂0₃), обладает оптической прозрачностью и при­меняется для изготовления колб некоторых специальных источни­ков тока.

Электрические характеристики некоторых высокочастотных ке­рамических материалов приведены в табл. 4.9.

 

Таблица 4.9

Параметр	Радио­фарфор	Ультра­фарфор	Стеатит	Ультра­стеатит
tg 5-104 при частоте 1 МГц и температуре, °С: 20 100	35...45 50...60	6...9 16...15	12...20 15...24	3...6 6...10
Электрическая прочность при темп 20°С и частоте 50Гц, МВ/м	15...20	15...20	20...30	20...30

 

Конденсаторная керамика имеет диэлектрическую проницае­мость е_г = 10...230 или е. = 900. В первом случае керамика относит­ся к высокочастотным диэлектрикам; tg 8 на частоте 1 МГц не дол­жен превышать 0,0006. Во втором случае имеет место керамика низ­кочастотная; на частоте 1000 Гц tgS = (0,002...0,025). К конденса­торной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектричес­кой проницаемости.

Многие из конденсаторных материалов имеют в своем составе диоксид титана - рутил (Ti0₂). В принятом обозначении такие со­ставы имеют букву Т (титановая керамика); следующая цифра обыч­но обозначает номинальную диэлектрическую проницаемость. Эти материалы называют также тикондами. Среди них можно выделить керамику на основе титаната кальция и титаната стронция - CaTi0₃ и SrTi0₃. При высоких частотах у этих материалов температурная за­висимость tgS выражена слабо, однако эти виды материалов харак­теризуются пониженной электрической прочностью (8... 12 МВ/м).

При длительном воздействии постоянного напряжения тикон-доваЯ керамика подвергается электрохимическому старению. Из-за высокого отрицательного значения температурного коэффици­ента е. эти материалы применяются для конденсаторов, к которым не предъявляются требования температурной стабильности емко­сти. Для повышения температурной стабильности в керамику вво­дят компоненты с положительным значением температурного ко­эффициента г_г. Такие материалы часто называют термокомпенси-рованными. К этой группе относятся титано-циркониевая керамика Ti0₂-Zr0₂; CaTi0₃-CaZr0₃; лантановая керамика LaA10₃-CaTi0₃, станнатная и другие керамические материалы. Преимуществом бе­ститановой керамики является более высокая устойчивость к воз­действию постоянного напряжения.

В ряде случаев для изготовления конденсаторов применяют уль­трафарфор, стеатит и другие виды установочной керамики.

Основу низкочастотной керамики составляют титанат бария ВаТЮ₃ и твердые растворы на его основе. Эти материалы отлича­ются высокими значениями диэлектрической проницаемости и ее нелинейной зависимостью от напряженности электрического поля.